Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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Diese Arbeit zeigt erstmals die Anwendung einer elektromagnetischen Schmelzbadsicherung beim einlagigen MSG-Schweißen von dickwandigen Stählen. Die innovativen Entwicklungen im Bereich des Lichtbogenschweißverfahrens ermöglichen eine Erhöhung der Abschmelzleistung, um die Einschweißtiefe zu steigern. Somit kann die Lagenanzahl reduziert und die Produktivität gesteigert werden. Allerdings besteht insbesondere beim einlagigen Schweißen von dickwandigen Bauteilen in PA-Position ein erhöhtes Risiko für das gravitationsbedingte Austropfen der Schmelze an der Wurzel. Zur Verhinderung werden Badsicherungen eingesetzt, die mechanisch angebracht und nach dem Schweißen entfernt werden müssen, was zeit- und kostenintensiv ist.
Die im Rahmen dieser Studie eingesetzte elektromagnetische Schmelzbadsicherung wirkt dem gravitationsbedingten Austropfen der Schmelze entgegen und kompensiert den hydrostatischen Druck. Sie wirkt kontaktlos, was im Gegensatz zu herkömmlichen Badsicherungen vorteilhaft ist, so dass auf eine zeit- und kostenintensive Nachbearbeitung der Schweißnahtwurzel verzichtet werden kann. Das auf extern angelegten oszillierenden Magnetfeldern beruhende Verfahren wird dabei unterhalb des zu schweißenden Bauteils positioniert. Die Magnetfeldlinien sind quer zur Schweißrichtung ausgerichtet, sodass längs zur Schweißrichtung Wirbelströme im Werkstück und eine stets nach oben gerichtete Lorentzkraft generiert werden. Mit Hilfe der elektromagnetischen Badsicherung konnten beim einlagigen MSG-Schweißen von bis zu 10 mm dicken Blechen die Tropfenbildung vermieden werden. Die innovative Technologie ermöglicht es, dickwandige Bauteile einlagig zu schweißen und reduziert die Nachbearbeitungszeiten und -kosten deutlich.
Die technischen Entwicklungen in der Lasertechnologie in den letzten Jahrzehnten haben eine neue Generation von Hochleistungslasersystemen im Leistungsbereich bis zu 100 kW auf den Markt gebracht. Dennoch ist die industrielle Anwendung des Hochleistungslaserstrahlschweißens auf bis zu 15 mm dicke Bleche beschränkt. Mögliche Ursachen der Einschränkungen des Verfahrens sind z.B. die Sensibilität des Verfahrens auf Fertigungstoleranzen wie Spalt und Kantenversatz, die erhöhte Tropfenbildung bei höheren Blechdicken und eine inhomogene Verteilung des Zusatzwerkstoffes beim Laserhybridschweißen. In dieser Studie wird ein auf extern angelegte Magnetfelder basierte elektromagnetische Schmelzbadstütze eingesetzt, um die Grenzen des Verfahrens zu erweitern und die Herausforderungen zu minimieren. Der wesentliche Vorteil der elektromagnetischen Schmelzbadstütze ist, dass sie berührungslos arbeitet. Mit Hilfe der elektromagnetischen Schmelzbadstütze konnten bei 20 mm dicken Proben aus S355J2 die Tropfenbildung an der Wurzel vermieden werden. Zudem wurde der Einfluss der Kantenqualität auf die Schweißnahtqualität untersucht, wobei verschiedene Schneidverfahren zur Kantenvorbereitung eingesetzt wurden, wie z.B. Plasma-, Brenn- oder Laserschneiden. Es konnte gezeigt werden, dass auch bei schlechteren Kantenvorbereitung im Gegensatz zu gefrästen Bauteilen die Werkstoffe einlagig mittels Laserhybridschweißen bei einer hohen Schweißnahtqualität gefügt werden konnten. Bei plasmageschnittenen Proben wurden zudem eine Spaltüberbrückbarkeit bzw. Kantenversatz von bis zu 2 mm sicher überbrückt. Des Weiteren war es mit Hilfe der externen Magnetfelder möglich, die Durchmischung des Zusatzwerkstoffes über die gesamte Schweißnahttiefe deutlich zu homogenisieren.
The study deals with the influence of the heat input on the thermal cycles and Charpy impact toughness for hybrid laser-arc welding of 25 mm thick structural steel S355J2 using a 20-kW high-power laser in combination with an electromagnetic weld pool support. The main focus is on the change of the mechanical properties over the entire seam thickness. The cooling times were measured using a pyrometer in combination with an optical fibre in three different locations near to fusion lines corresponding to different heights of the seam. Also, Charpy impact specimens were taken from different parts of the weld joint corresponding to the different heights. The influence of the heat input was investigated for 1.8 kJ mm-1 and 3.2 kJ mm-1. Despite the observed decreased values of both t8/5-cooling time and the Charpy impact toughness in the root part of the seam, the required values could be reached in dependance on applied heat input.
Single-pass Hybrid Laser Arc Welding of Thick Materials Using Electromagnetic Weld Pool Support
(2019)
Hybrid laser-arc welding process allows single-pass welding of thick materials, provides good quality formation of joints with minimal thermal deformations and a high productivity in comparison with arc-based welding processes. Nevertheless, thick-walled steels with a thickness of 20 mm or more are still multi-pass welded using arc welding processes, due to increased process instability by increasing laser power. One limitation factor is the inadmissible formation of gravity drop-outs at the root. To prevent this, an innovative concept of electromagnetic weld pool support is used in this study. With help of such system a stable welding process can be established for 25 mm thick steel plates and beyond. Sound welds could be obtained which are tolerant to gaps and misalignment of the welded parts. The adaptation of this system to laser and hybrid laser-arc welding process can dramatically increase the potential field of application of these technologies for real industrial implementation.
With global increases in clean energy demand, the natural gas is gaining in importance. Pipelines are the safest and most cost-effective way of transporting natural gas. Due to high transport volume and resulting high operation pressure, the demand for ultra-high strength steel grades such as X120 is very strong. As a result of the fact that these steels are produced by thermo-mechanical controlled processing, the welding process must be selected accordingly. Based on investigations, a high heat input such as by submerged arc welding process leads to softening in the weld metal and loss of strength whereas pure laser beam welding results in high cooling rates and deteriorate toughness of the weld metal. The objective of this research is to investigate the influence of heat input to mechanical properties of hybrid laser-arc welded pipeline steels of grade X120. Test specimens with a thickness of 20 mm could be welded without preheating in a single-pass with different welding velocities to observe the largest possible parameter window of the heat input. The achieved V-notch impact energy for hybrid laser-arc welded samples was 144±37 J at a testing temperature of -40 °C. With a tensile strength of 930±4 MPa the requirements of API 5L was achieved. To prevent gravity drop-outs at the slow welding speeds, an electromagnetic weld pool support system was used, which works contactless and is based on generating Lorentz forces. It was therefore possible to control the cooling rate in order to meet the requirements of the mechanical properties. By adapting the electromagnetic weld pool support to the laser and laser hybrid welding process, the application potential of these technologies for industrial implementation can be drastically increased.
Antibiotic resistance is a growing global problem which poses a massive threat to human health. Although human activity contributes to the acceleration of the process, bacteria have a self-driven stabilisation mechanism to protect themselves from such and other external threats: biofilm formation. Nonetheless, it is the adhesion of a single bacterial cell to a surface that triggers the formation of such network of biomolecules and microorganisms, as well as its hazardous consequences. The main objective of this work was to quantify the adhesion force of a single E. coli cell on a Ti substrate via the AFM-related single-cell force spectroscopy, with both the cell and the substrate material being of high clinical relevance. A set of 25 x 25 force displacement curves was acquired with a maximum force of 3.2 nN without dwell time, yielding a topography map and an adhesion force map that showed to be correlated. A mean adhesion force of 0.85 ± 0.175 nN was measured and the presence of cell appendages on the bacterial cell wall was verified through individual force-displacement curves. Bacterial viability was assessed after the measurements via live/dead staining.
Currently at Deutsche Bahn (DB) ultrasonic inspections in maintenance procedures for wheelset axles with a bore hole are, to the greatest possible extent, carried out using automated ultrasonic inspection system. Although the acceptance levels are in accordance with DIN 27201 part 7, the testing results have shown in recent years that in the case of true indications, the effective defect sizes were far below the level of acceptance. Due to this experience it can be assumed that the automated ultrasonic inspection systems are testing substantially more sensitively than required. This increased sensitivity leads to an increase in false indications, generally resulting in the unnecessary demounting of wheelsets. In Research cooperation between Federal Institute for Materials Research and Testing (BAM) and DB the effective flaw detection sensitivity of existing automated ultrasonic inspection system will be determined and the true/false indication ratio optimised. Through systematic investigations with the Probability of Detection method on the existing automated ultrasonic inspection system the results could be directly applied to the optimisation of existing ultrasonic inspections of wheelset axles with a bore hole in maintenance procedures and the level of reliability can be considerably increased.
Im Bereich der optisch angeregten Thermografie haben sich Blitzlampen (impulsförmig-flächige Erwärmung) und Halogenlampen (moduliert-flächige Erwärmung) für die spezifischen Regime Impuls- und Lockin-Thermografie etabliert.
Mittels eines rasternden fokussierten Lasers wird die Flying-spot Laserthermografie z.B. zur Risserkennung (Dauerstrichbetrieb) und die photothermische Materialcharakterisierung (hochfrequent moduliert)implementiert. Durch die Verfügbarkeit neuer Technologien (schnelle und hochauflösende IR-Kameras, brillante innovativer Lichtquellen und performante Datenakquisitions- und Verarbeitungstechnik) wird ein Paradigmenwechsel von den getrennt voneinander stehenden photothermischen und
thermografischen Techniken hin zu einer einheitlichen quantitativen Mess-und Prüftechnik ermöglicht, die schneller und präziser ist. Ähnlich wie ein LED-Array, jedoch mit einer um zwei Größenordnungen höheren Bestrahlungsstärke, steht jetzt eine neuartige brillante Laserquelle, das VCSEL-Array (vertical-cavity surface-emitting laser) zur Verfügung, welches die starke Beschränkung der zeitlichen Dynamik der etablierten Lichtquellen aufhebt und gleichzeitig spektral sauber von der Detektionswellenlänge getrennt ist. Es vereint somit das schnelle zeitliche Verhalten eines Diodenlasers mit der hohen optischen Bestrahlungsstärke und dem großen Beleuchtungsbereich von Blitzlampen. Darüber hinaus kann die Erwärmung auch strukturiert vorgenommen werden, da einzelne Bereiche des VCSEL-Arrays unabhängig voneinander angesteuert werden können. Dieser neue Freiheitsgrad ermöglicht die Entwicklung ganz neuer thermografischer ZfP-Verfahren.
Turbinenscheiben sind thermisch und mechanisch hochbeanspruchte, sicherheitsrelevante Komponenten in Gasturbinen. Ihre Integrität wird in Bauteiltests unter Überdrehzahlbedingungen nachgewiesen. Kontext des Aufsatzes ist die Erarbeitung einer zusätzlichen Bewertungsebene auf der Grundlage von Versuchen unter monotoner Beanspruchung, die die Beanspruchung im Bauteil realistisch wiedergeben soll. Betrachtet wird ein halbelliptischer Riss, der bei der weiteren Ausbreitung als Umfangsriss wächst (rim peeling). Die Simulation dieser Stelle im Bauteil schließt die mechanische und thermische Beanspruchung sowie sie Dehnungsbehinderung ein. Letztere wird anhand zweier Parameter, der Spannungsmehrachsigkeit ℎ und des (allerdings modifizierten) Constraint-Parameters nach Newman, der die Spannungen über den plastisch verformten Bereich mittelt, bestimmt. Erwartungsgemäß zeigt sich, dass die höchste Dehnungsbehinderung weder an den Oberflächenpunkten, noch an den tiefsten Punkten, sondern an einer Stelle zwischen beiden auf der Rissfront auftritt. Als Versuchsgeometrie für die monotonen Tests soll eine Kreuzprobe mit wanddurchdringenden Rissen ausgehend von einer Innenbohrung dienen. Durch geeignete Wahl der Risstiefe sowie der in beiden Richtungen angreifenden Kräfte gelingt es, bauteiladäquate Zustände zu erzeugen.
Aero-engine turbine disks are safety-relevant components which are operated under high thermal and mechanical stress conditions. The actual part qualification and certification procedures make use of spin-tests conducted on production-similar disks. The aim of this work is to present part of a fracture mechanics-based procedure under development which aims at replacing the tests on production-similar disks with lab tests on fracture mechanics specimens. The finite element simulation of the cracked disk considers the real thermal and mechanical loading conditions. In order to design a lab representative specimen, beside the crack driving force, expressed in terms of 𝐽-integral, also the constraint to plastic deformation e.g., stress triaxiality, at the crack-tip must be similar for the same crack in the specimen and in the disk. This has been achieved and as expected, both the highest 𝐽 -integral and constraint factor are calculated at the same location along the crack front for both disk and specimen. The results of the structural integrity assessment in the form of a Failure Assessment Diagram (FAD) show good agreement between designed specimen and disk both in terms of expected failure mode and value of the critical speed. In addition, probabilistic aspects are also considered in the calculations.
Aero-engine turbine disks are safety-relevant components which are operated under high thermal and mechanical stress conditions. The actual part qualification and certification procedures make use of spin-tests conducted on productionsimilar disks. While these tests provide, on the one hand, a reliable definition of the critical conditions for real components, on the other hand they represent a relevant cost item for engine manufacturers. The aim of this work is to present part of a fracture mechanics-based procedure under development which aims at replacing the tests on production-similar disks with lab tests on fracture mechanics specimens. In particular, the rimpeeling failure mode is considered as case study. A semi-circular surface crack is modelled at the most stressed region at the diaphragm of a turbine disk, with the crack plane perpendicular to the radial direction. The crack is therefore subjected to a biaxial stress state and grows under increasing rotational speed until it triggers the rim-peeling failure. The finite element simulation of the cracked disk considers the real thermal and mechanical loading conditions. In order to design a lab representative specimen, beside the crack driving force, expressed in terms of -integral, also the constraint to plastic deformation e.g., stress triaxiality, at the crack-tip must be similar for the same crack in the specimen and in the disk. This has been achieved and as expected, both the highest -integral and constraint factor are calculated at the same location along the crack front for both disk and specimen. The results of the structural integrity assessment in the form of a Failure Assessment Diagram (FAD) show good agreement between designed specimen and disk both in terms of expected failure mode and value of the critical speed. Probabilistic aspects are also considered in the calculations.
Synopsis: The paper presents the results of a study on the influence of agitation on the structural build-up of fresh cement pastes using a penetration test. It first presents results about the influence of the penetrating shape’s geometry on the influence on the cement paste specimen. Then, results are shown for the load-deflection curves depending upon time and agitation before testing. Based on the observation of the force required to penetrate the sample, conclusions on the structural build-up can be made. The observations were made over the course of time with samples that were left at rest and partly agitated before testing at different time steps. The setup allows to identify the contribution of the chemical reaction to the structural build-up process. The presence of superplasticizer obviously reduces the load that cement paste can withstand, while the loss of thixotropy is found notably lower than that of neat cement pates
Um bruchmechanisch Schwingfestigkeiten ermitteln zu können, sind einige Voraussetzungen erforderlich:
(a) Das Wachstum sowohl langer als auch mechanisch und physikalisch kurzer Risse muss adäquat beschrieben werden. Das erfordert die Anwendung elastisch plastischer Konzepte zur Beschreibung der zyklischen Rissspitzenbeanspruchung sowie die Modellierung des graduellen Aufbaus der Rissschließeffekte im Kurzrissbereich.
(b) Es müssen physikalisch sinnvolle Ausgangsrissgrößen für die bruchmechanische Analyse bestimmt werden.
(c) Bei Spannungen oberhalb der Dauerfestigkeit respektive der Versagensspannung bei 107 Lastwechseln muss gegebenenfalls Mehrfachrisswachstum berücksichtigt werden.
Der Vortrag diskutiert diese Punkte und zeigt Lösungswege auf.
A fracture mechanics model which shall be applied to the fatigue strength determination of weldments has to focus on various aspects such as: (a) the description of mechanical and physical short fatigue crack extension which is characterised by yielding conditions which do not permit the application of the common ΔK concept and by the gradual build-up of the crack closure effect, (b) a consistent methodology for determining the initial crack size, (c) based on this, the determination of a fatigue limit, (d) the treatment of multiple crack propagation at load levels above this limit, (e) the variation of the local geometry along the weld toe, and (f) statistical effects.The paper gives alimited overview of the work the authors did in this field during the last years within the German project cluster IBESS. A model is presented and briefly discussed which covers the questions above.
Unterschiedliche Werkstoffeigenschaften reagieren auf jeweils spezifische Weise auf Gittertyp, Gefüge und Defekte. Für die schadenstolerante Betrachtung von Werkstoff und Bauteil ist das Verständnis dieser Zusammenhange essentiell. Der Beitrag gibt mit Hinblick auf additiv gefertigte metallische Bauteile (Selective Laser Melting) einen kurzen, keineswegs vollständigen Überblick über Faktoren, die die Steifigkeit, Festigkeit, Duktilität, Zähigkeit, Ermüdungsrissausbreitung und Schwingfestigkeit beeinflussen. Es wird aufgezeigt, wie die bruchmechanische Betrachtung zur Quantifizierung der zusammenhänge beitragen kann.
The present paper provides a discussion on all these topics and it offers solutions for it. The authors present an analytical solution of a Delta J based crack driving force based on an R6 type approach but modified for cyclic loading. The gradual build-up of the crack closure effect is modelled by the so-called cyclic R curve which describes the crack size dependency of the fatigue crack propagation threshold in the short crack regime. It is explained how the cyclic R curve is experimentally determined and how it can be estimated by a modified Kitagawa-Takahashi approach.
In diesem Verbundvorhaben werden standardisierte Messverfahren für hybride Gemische erarbeitet, die der Bestimmung sicherheitstechnischer Kenngrößen des Explosionsschutzes dienen. Unter einem hybriden Gemisch wird dabei ein mehrphasiges System aus Brenngas oder brennbarem Dampf, sowie Luft und brennbarem Staub verstanden. Die Veröffentlichung der Ergebnisse erfolgt in einem Abschlussbericht und als DIN-Spezifikation (DIN SPEC). Diese DIN SPEC versetzt Prüfinstitute und Industrie in die Lage, Explosionsgefahren beim Betrieb technischer Anlagen mit hybriden Gemischen einzuschätzen und damit Prozesse sowohl sicherer als auch effizienter zu steuern. Dieses Projekt wird im Rahmen des WIPANOProgramms (Wissens- und Technologietransfer durch Patente und Normen) vom BMWi gefördert.
The safety characteristics of flammable gases and liquids are required when identifying potentially explosive mixtures and taking appropriate actions concerning explosion protection. Examples are given in this review of the safe handling and evaluation of hazards during the processing, storage, transport, and disposal of flammable liquids and gases. The CHEMSAFE database is presented as a reliable source of safety characteristic data, and ist new open-access version is introduced. CHEMSAFE currently contains assessed properties for about 3000 flammable liquids, gases and mixtures. The lack of a broad experimental foundation in the extensive field of non-atmospheric conditions shows the need for further investigation and standardization. This review summarizes experimental evidence and estimation methods for safety characteristic data under non-atmospheric conditions pointing out current limitations. Suggestions for pre-normative research on safety data under nonatmospheric conditions are given.
Elastomer seals are used in many industrial applications due to their excellent mechanical properties at a wide range of temperatures. Their high versatility and recovery potential under several load conditions make them well suitable for the application in containers designed for transport, storage and/or disposal of radioactive materials. In containers for low and intermediate level radioactive waste, elastomer seals are used as barrier seals, and as auxiliary seals in storage and transportation casks (dual purpose casks) for heat generating radioactive waste, such as spent fuel and high-level waste. While a seal exchange at defined intervals is typical in many conventional applications, it is impossible or at least hard to perform when principles of minimization of radiation exposure have to be considered and prohibit an unnecessary cask handling. An extensive knowledge of the change of the elastomer’s properties during aging and the availability of reliable end-of-lifetime criteria to guarantee the permanent safe enclosure of the radioactive material is mandatory. As BAM is involved in most of the national cask licensing procedures and in the evaluation of cask-related long-term safety issues, great efforts have been already made and are still planned to scientifically support this task.
Compression stress relaxation and compression set were identified as key indicators of elastomer long-term performance and quantitatively investigated in comprehensive test programs. Among other representative types of elastomers, specimens made from ethylene propylene diene rubber (EPDM) were tested before, during and after aging to capture the most important of their complex mechanical properties.
In the presented study, exemplary results were used to simulate the compression stress relaxation and the compression set of elastomer O-rings during aging. Regarding the influence of temperature, the time-temperature superposition principle is applied in the relaxation analysis of elastomer O-rings. The proposed model is implemented in the commercial finite element software ABAQUS/Standard® [1] with a sequential temperature displacement coupling. Numerical results match the experimental compression stress relaxation measurements well. The prediction of compression set values after long-term aging shows a relatively good agreement with the experimental results. Nevertheless, all input parameters derived from the specimen tests, additional assumptions concerning boundary conditions and modeling strategy are discussed with regard to the identified slight discrepancies.
The possibility to extend the finite element model to represent the O-ring seal’s ability to recover after a (fast) partial release is taken into account.
It is common practice in the application of finite element analysis to model compression set (CS) of elastomers during aging with two different material models according to the two-network theory of Tobolsky. The theory relies on the existence of two networks. The first one represents the original network after vulcanization and is sensitive to chain scission. The second network accounts for the formation of additional crosslinking during aging. Besides the use of user subroutines to describe the two-network model, an element overlay technique is also needed as the full set of both material behaviors did not exist for assignment to a single element. This element overlay technique is valuable for research and developmental purposes but makes extension to industrial usage quite challenging. Our goal is to simulate the CS of elastomers after long-term aging in a commercial finite element software with no need for extra subroutine codes or mesh superposition.
Ethylene propylene diene (EPDM) O-rings were aged in a compressed state at 75 °C, 100 °C, 125 °C and 150 °C for up to 183 days. Investigations of the experimental test results were used to identify material models and their parameters to develop a finite element model to simulate CS. The model was implemented in the finite element software ABAQUS/Standard® with a sequential temperature-displacement coupling.
Regarding the influence of temperature, the Arrhenius equation is adopted for the time-temperature relationship. The activation energy value that is required for the simulation is firstly determined from shifting the experimental CS results with the time-temperature superposition technique and plotting the shift factors in an Arrhenius diagram. The experiments were compared with the simulation results. Afterwards different activation energies were used in the simulation and discussed. A suitable choice of the activation energy value with regard to the reference temperature and the test temperature is presented. With the chosen activation energies, the match between numerical CS values after long-term aging and the experimental results was improved.